автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Оптимизация алгоритмов измерения профиля морских волн

ВВЕДЕНИЕ

1. ПРИНЦИПЫ ПОЛУЧЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ О ПРОФИЛЕ

МОРСКИХ ВОЛН И ВАРИАНТЫ ЕЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ.

1.1. Анализ состояния и перспектив развития средств управления движением морских транспортных аппаратов.

1.2. Методы получения информации о характеристиках морского волнения .И

1.3. Способы повышения точности радиоинерциальных измерителей профиля морских волн

2. РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ

ВЕРТИКАЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ

2.1. Принципы построения и характеристики современных высотомеров метровых высот.

2.2. Собственная погрешность радиовысотомера.

2.3. Волновая составляющая выходного сигнала радиовысотомера

3. ИНЕРЦИАЛЬНЫЕ СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ

ВЕРТИКАЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ

3.1. Принципы построения и характеристики современных инерци-альных навигационных средств.

3.2. Математические модели погрешностей акселерометров.

3.3. Ошибка измерения вертикального ускорения акселерометром с вертикальной осью чувствительности

4. МЕТОДИКА СИНТЕЗА АЛГОРИТМОВ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ

РОБАСТНОЙ КОМПЛЕКСИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ

4.1. Использование оптимальной фильтрации при заданных спектральных плотностях погрешностей первичных датчиков.

4.2. Оптимизация параметров системы при числовых ограничениях на спектральную плотность погрешности инерциального датчика.

4.3. Оптимизация параметров системы при учете постоянной составляющей в погрешности инерциального датчика.

4.4. Оптимизация параметров системы при угловой стабилизации датчиков

4.5. Цифровая реализация алгоритмов комплексирования.

5. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ИЗМЕРИТЕЛЯ.

5.1. Формирование моделей возмущающих воздействий.

5.2. Методика моделирования работы вычислителя

5.3. Обработка результатов моделирования

Водная поверхность с давних пор является естественным транспортным пространством, играющим огромную роль в истории цивилизации. Развитие морской транспортной техники с середины нынешнего столетия характеризуется появлением и совершенствованием неводоизмещающих аппаратов, к которым относятся суда на подводных крыльях, воздушной подушке, воздушной каверне и экранопланы. Все эти аппараты, фактически совершающие полет вблизи неровной опорной поверхности, испытывают интенсивное возмущающее влияние морских волн. Поэтому все более важным фактором улучшения эксплуатационных характеристик морских транспортных аппаратов становится совершенствование систем автоматического управления движением. Оно производится по трем основным направлениям /1, 2/:

-совершенствование средств навигации, измерения параметров движения и параметров возмущений, прежде всего — волновых;

- совершенствование средств создания управляющих сил и моментов; -совершенствование законов управления и структурная оптимизация систем управления.

Настоящее исследование посвящено методам построения неконтактных измерителей текущего профиля морской волны. Наличие подобной информации на борту позволит совершенствовать систему управления движением морского транспортного аппарата путем оптимизации режима движения и реализации принципа комбинированного управления по рассогласованиям и волновым возмущениям /3/, что определяет актуальность данной работы.

Предполагается цифровая реализация алгоритмов обработки навигационных сигналов, однако перед синтезом цифровых алгоритмов целесообразно определять непрерывные прототипы и оценивать потенциально достижимые характеристики качества измерения. Это позволит сравнить цифровые и аналоговые комплексированные измерители и лучше обосновать принимаемые технические решения.

Основными методами исследований, использованными в работе, явились методы статистического и спектрально-корреляционного анализа, методы линейной робастной фильтрации, методы комплексирования сигналов разнотипных датчиков первичной информации, а также аппарат преобразования Лапласа и передаточных функций.

В ходе выполнения работы развиты и апробированы методы синтеза робастных комплексированных измерителей параметров движения, оптимизации цифровых алгоритмов комплексирования бортовых навигационных датчиков для измерения профиля морских волн и малых высот полета при учете погрешностей этих датчиков, а также динамических свойств транспортного аппарата как объекта управления.

Цель данной диссертационной работы - создание эффективных методов исследования и проектирования средств неконтактного измерения параметров волновых возмущений для систем автоматизации управления движением морских транспортных аппаратов, определяющим из которых является текущая ордината взволнованной морской поверхности.

При этом поставлены следующие задачи:

- анализ существующих методов измерения и обоснованный выбор функциональной схемы измерительной системы;

-разработка методики синтеза алгоритмов комплексирования радиотехнических и инерциальных датчиков в системе измерения профиля морских волн;

- исследование влияния точности угловой стабилизации датчиков на результирующую ошибку измерений;

- разработка методики синтеза цифрового измерителя;

- разработка методики математического моделирования измерителя.

Практическая ценность работы определяется возможностью использования полученных результатов при синтезе комплексированных измерителей профиля морского волнения и малых высот движения для информационно-управляющих комплексов неводоизмещающих транспортных аппаратов различных типов. Применение предложенных методов позволит существенно ослабить требования к объему априорной информации об объекте управления и свойствах входных воздействий, повысить точность измерительных систем и расширить класс объектов, для которых могут быть успешно решены задачи высокоточного управления движением вблизи взволнованной морской поверхности.

Работа выполнена на кафедре аэрокосмических систем ориентации, навигации и стабилизации Санкт-Петербургского университета аэрокосмического приборостроения в рамках программы «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники» Министерства образования РФ (разделы 205.9 «Создание проблемно-ориентированных комплексов транспортных средств, оборудования и технологий в межотраслевой кооперации» и 201.11 «Высокие технологии межотраслевого применения», 1999-2001гг.), персональных грантов студентов, аспирантов и молодых ученых Конкурсного центра фундаментального естествознания Министерства образования РФ (1996, 1998 и 1999гг., в 1999г. работа была удостоена специальной премии в рамках данного конкурса), коллективных грантов Российского фонда фундаментальных исследований 96-01-00010 (1996-1998гг.) и 99-01-00417 (1999-2000гг.), государственной программы «Университеты России - фундаментальные исследования» (направление «Фундаментальные проблемы математики и механики», 1998-2000гг.), а также в соответствии с планами госбюджетных научно-исследовательских работ МИПАКТ ГУАП «Исследование и разработка методов и средств управления движением вблизи морской поверхности» (1998-2001гг.), «Теория гарантирования точности управления в приложении к морской посадке воздушно-космического самолета» (1998-2001гг.), «Анализ эффективности комплексирования воздушно-космического самолета с другими транспортными средствами» (19992000гг.).

Результаты работы использованы в МИПАКТ ГУАП при создании экспериментальной системы записи параметров полета и параметров морского волнения для 12-метрового экраноплана в соответствии с контрактом №1 от 16 января 1999г. с голландской фирмой Flairboat Holland BV (НИОКР-914 в ГУАП), в ГУП ЦНИИ ТС при создании систем акустических измерений шумов судов и систем контроля поверхности, в научно-исследовательских и опытно-конструкторских работах АОЗТ «ГИРООПТИКА», а также в учебном процессе ГУАП.

Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на

-XXIII, XXV и XXVI расширенных советах по управлению движением морских судов и специальных аппаратов при ИПУ РАН;

-XXI Научно-технической конференции памяти Н.Н. Острякова, ГНЦ РФ - ЦНИИ "Электроприбор", 1998г.;

- научно-технических конференциях «Гагаринские чтения» и «Королёвские чтения», 1995, 1997гг.;

- научных сессиях аспирантов ГУАП 1998, 1999 и 2000гг.;

-II Научно-технической конференции молодых ученых «Навигация и управления движением», ГНЦ РФ - ЦНИИ "Электроприбор", 2000г.;

-научно-техническом семинаре Головного совета по приборостроению Министерства образования РФ, январь 2001г.;

- международной научно-технической конференции «ТРАНСКОМ-2001», СПГУВК, июнь 2001г.

Результаты работы опубликованы в 17 печатных научных трудах.

Выводы по разделу 5:

1. Результаты математического моделирования согласуются с данными теоретических исследований по точности и динамике оцениваемых процессов.

2. Изменение скоростного режима движения аппарата, как правило, оказывается несущественным с точки зрения обеспечения гарантированной точности измерений, однако заметное влияние на значение результирующей ошибки оказывает направление движения аппарата.

3. Полученные алгоритмы моделирования процессов угловой и вертикальной качки согласуются с заданными требованиями к корреляционным функциям этих процессов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проделанной работы создана теоретическая основа синтеза алгоритмов комплексирования радиотехнического и инерциального датчиков при измерении текущего профиля морских волн. На основании проведенного анализа существующих методов измерения параметров морского волнения сделан обоснованный выбор функциональной и структурной схем измерительной системы, исследованы характеристики потенциальной точности измерений для различных режимов движения и моделей погрешностей первичных датчиков.

Обоснована целесообразность использования фазового радиолокационного метода измерения геометрической высоты относительно волновой поверхности и определены основные технические требования к фазовому радиовысотомеру. Для найденной спектральной плотности морского волнения в движущейся системе координат предложены три аппроксимации дробно-рациональными функциями.

Построены модели собственной погрешности инерциального датчика. Предложена и обоснована возможность использования робастного подхода при описании спектрально-корреляционных свойств данной погрешности. Определена погрешность измерения акселерометром вертикального ускорения в виде суммы трех составляющих с ограниченными значениями степенных моментов спектральных плотностей. Обоснована целесообразность использования в каналах измерительной системы фильтров третьего порядка с возможностью подавления постоянной составляющей выходного сигнала инерциального датчика.

Выполненные аналитические исследования, а также результаты математического моделирования продемонстрировали безусловную перспективность исследованного принципа построения измерительной системы. Подтверждено достаточно эффективное подавление помехи, вызванной нестабильностью аппарата при движении над взволнованным морем. Показано, что при использовании средних по точности систем стабилизации ошибка измерения вертикального ускорения практически полностью будет определяться собственной погрешностью инерциального датчика. Реализация предложенных алгоритмов комплексирования позволит достичь сравнительно высокой точности измерений профиля волновой поверхности порядка единиц процентов от высоты морских волн трехпроцентной обеспеченности при достаточно невысоких требованиях к точности первичных датчиков. В частности, трехпроцентная точность измерений достигается при наличии инерци-альной навигационной системы, обеспечивающей ошибку измерения ускорения не хуже 10'6g.

Цифровая реализация алгоритмов обработки пилотажно-навигационной информации даст возможность построения навигационной системы, системы управления движением, системы автоматического диагностирования и системы отображения информации на базе бортовой распределенной вычислительной сети. Проведенный анализ цифровой комплексированной системы определил ряд требований к характеристикам аналого-цифрового преобразователя и собственно вычислителя, которые следует признать умеренными.

Таким образом, построение интегрированного измерителя профиля морских волн на основе предложенных алгоритмов комплексирования позволяет усовершенствовать систему управления движением движущегося морского транспортного аппарата, что обеспечит повышение таких показателей, как безопасность, маневренность, скорость и комфортность перевозок, топливная экономичность.

94

На защиту выносятся следующие научные положения:

-методика расчета спектра морского волнения в движущейся системе координат, позволяющая упростить вычислительный процесс путем устранения разрывов на границах интервалов интегрирования;

- сравнительный анализ гарантированной точности динамических систем второго и третьего порядков при ограничении на дисперсию второй производной воздействия;

- методика синтеза алгоритмов измерения профиля морских волн и малых высот полета при заданных ограничениях на производные погрешности инерциального датчика;

- методика и результаты математического моделирования комплексиро-ванного измерителя профиля морских волн, подтверждающие результаты теоретических исследований.

Возможности дальнейшего совершенствования систем измерения профиля морских волн могут быть основаны на использовании многоканальной обработки информации, поступающей от однотипных навигационных датчиков, расположенных в различных точках движущегося объекта. Очевидно, в таком случае имеется возможность получения более полных данных как о случайном поле морского волнения, так и о собственных перемещениях аппарата /42/, что в определенной степени позволит повысить результирующую точность измерений.

1. Желудев A.M., Небылов А.В., Соколов Н.Е. Методы и средства оптимизации движения над неровной опорной поверхностью // Тез. докл. межд. науч.-техн. конф. "Экраноплан-96". Казань, 1996. С. 119-122.

2. Иванов Ю.П., Синяков А.Н., Филатов И.В. Комплексирование информационно-измерительных устройств летательных аппаратов. Д.: Машиностроение, 1984. 207 с.

3. Небылов А.В., Лопарев А.В., Трофимов Ю.В. Методы и информационные средства реализации принципа управления по волновым возмущениям // Тез. докл. XXI Науч.-техн. конф. памяти Н.Н. Острякова / ГНЦ РФ -ЦНИИ "Электроприбор", 1998. С. 24.

4. Загородников А.А. Радиолокационная съемка морского волнения с летательных аппаратов. JL: Гидрометеоиздат, 1978. 239 с.

5. Небылов А.В. Новые методы и средства контроля движения вблизи морской поверхности // IV Международная конференция по интегрированным навигационным системам: Сб. докл. / Научный совет РАН по проблемам управления движением и навигации. 1997. С. 207-212.

6. Небылов А.В., Науменко М.В. Задача оптимизации системы стабилизации высоты движения экраноплана над взволнованным морем // Изв. вузов. Авиационная техника. 1995. №2. С. 27-30.

7. Креславский Д.Г., Лопарев А.В., Науменко М.В. Синтез алгоритмов управления движением над волновой поверхностью. // Сб. тр. совета по управлению движением кораблей и специальных аппаратов / ИПУ РАН. 1996. Вып. 23. С. 21-23.

8. Креславский Д.Г., Небылов А.В. Использование датчиков профиля для определения генерального направления распространения морских волн // Сб. тр. совета по управлению движением кораблей и специальных аппаратов / ИПУ РАН. 1998. Вып. 25. С. 61-63.

9. Лопарев А.В., Соколов Н.Е. Особенности управления экранопланом при взлете и посадке ВКС // Тез. докл. науч.-техн. конф. "Гагаринские чтения". М., 1997.

10. Диомидов Б.В. Автоматическое управление движением экра-нопланов / ГНЦ РФ ЦНИИ "Электроприбор". СПб, 1996. 204 с.

11. Лопарев А.В., Небылов А.В. Бортовые средства совместного измерения профиля морских волн и малых высот полета // Сб. тр. совета по управлению движением кораблей и специальных аппаратов / ИПУ РАН. 1998. Вып. 25. С. 159-162.

12. Небылов А.В. Измерение параметров полета вблизи морской поверхности / СПбГААП. СПб., 1994. 307 с.

13. Лопарев А.В. Исследование точности робастного комплексиро-ванного измерителя // Тез. докл. науч.-техн. конф. "Королёвские чтения". Самара, 1995.

14. Жуковский А.П., Оноприенко Е.И., Чижов В.И. Теоретические основы радиовысотометрии. М.: Советское радио, 1979. 320 с.

15. Ярлыков М.С. Статистическая теория радионавигации. М.: Радио и связь, 1985. 343 с.

16. Устройство измерения разности фаз (варианты) / Небылов А.В., Ва-наев А.П. Пат. № 2109309. Государственный реестр изобретений РФ. 20 апреля 1998г. 6 с.

17. Устройство измерения параметров волнения / Чернявец В.В., Вана-ев А.П., Небылов А.В. Пат. №2137153. Государственный реестр изобретений РФ. 10 сентября 1999г. 8 с.

18. Лопарев A.B., Лопарев B.K. Оптимизация комплексированного измерителя малых высот при движении вблизи взволнованной морской поверхности // Методы прикладной математики в транспортных системах / Под ред. Ю.М. Кулибанова / СПбГУВК. 1998. С. 148-155.

19. Микропроцессорные системы автоматического управления / Под ред. В.А. Бесекерского. Л.: Машиностроение, 1988. 365 с.

20. Ишлинский А.Ю., Борзов В.И., Степаненко Н.П. Лекции по теории гироскопов. М.: Изд-во МГУ, 1983. 248 с.

21. Пешехонов В.Г. Современная автономная навигация. Проблемы и перспективы // Механика и навигация. Материалы научной сессии, посвященной 85-летию академика РАН А.Ю. Ишлинского / ГНЦ РФ ЦНИИ "Электроприбор". 1999. С. 13-22.

22. Ландау Б.Е. Современные тенденции развития чувствительных элементов инерциальных навигационных систем // Гироскопия и навигация. 1999. №3. С. 107-117.

23. Челпанов И.Б., Несенюк Л.П., Брагинский M.B. Расчет характеристик навигационных гироприборов. Л.: Судостроение, 1978. 264 с.

24. Лопарев А.В. Оптимизация интегрированного измерителя профиля морских волн // Третья научная сессия аспирантов ГУАП: Тез. докл. / ГУАП. 2000. С. 21-23.

25. Лукомский Ю.А., Корчанов В.М. Управление морскими подвижными объектами: Учебник. СПб.: Элмор, 1996. 320с.

26. Дмитриев С.П. Инерциальные методы в инженерной геодезии / ГНЦ РФ ЦНИИ "Электроприбор". СПб., 1997. 209 с.

27. Тихонов В.И. Статистическая радиотехника. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Радио и связь, 1982. 624 с.

28. Небылов А.В. Гарантирование точности управления. М.: Наука -Физматлит, 1998. 304 с.

29. Бабич О.А. Обработка информации в навигационных комплексах. М.: Машиностроение, 1991. 512 с.

30. Лопарев А.В. Алгоритмы комплексирования позиционного и инер-циального датчиков при измерении профиля морских волн // Вторая научная сессия аспирантов ГУАП: Тез. докл. / ГУАП. 1999. С. 16.

31. Лопарев А.В. Алгоритмы совместного измерения профиля морских волн и малых высот полета // Первая научная сессия аспирантов ГУАП: Сб. докл. / Под общ. ред. В.В. Изранцева / ГУАП. 1998. С. 53-55.

32. Лопарев А.В., Небылов А.В. Исследование точности интегрированного измерителя профиля морских волн и малых высот полета // Гироскопия и навигация. 1999. №2. С. 119-124.

33. Уилкс С. Математическая статистика: Пер. с англ. / Под ред. Ю.В. Линника. М.: Наука, 1967. 632 с.

34. Лихолетов И.И., Мацкевич И.П. Руководство к решению задач по высшей математике, теории вероятностей и математической статистике. 3-е изд., стереотип. Минск: Вышэйш. школа, 1976. 456 с.

35. Бородай И.К., Нецветаев Ю.А. Качка судов на морском волнении. Л.: Судостроение, 1969. 432 с.99

36. Степанов О.А. Применение теории нелинейной фильтрации в задачах обработки навигационной информации / ГНЦ РФ ЦНИИ "Электроприбор". СПб., 1998. 370 с.

37. Небылов А.В., Лопарев А.В., Лопарев В.К. Математическое моделирование дважды дифференцируемого процесса, подобного нерегулярной качке // Методы прикладной математики в транспортных системах / Под ред. Ю.М. Кулибанова / СПбГУВК. 2000. С. 227-231.

38. Оводенко А.А., Шепета А.П. Проектирование робастных локационных устройств систем управления: Учеб. пособие / Под ред. В.А. Бесекер-ского. Л.: ЛИАП, 1983. 87 с.

39. Лопарев А.В., Небылов А.В. Интегрированная бортовая измерительная система для оценки параметров морского волнения // Сб. тр. совета по управлению движением кораблей и специальных аппаратов / ИПУ РАН. 1999. Вып. 26. С. 35-39.

40. Технические характеристики фазового радиовысотомера